Отечественные рутениевые терапевтические источники бета-излучения_Тимофеев_Л.В

Сигнальный экземпляр

Способ снижения фона радиации в месте расположения ФЭУ

Впроцессе измерений γ- и рентгеновского излучений сцинтилляционными приборами прямое или рассеянное излучение может взаимодействовать не только со сцинтиллятором, но и с фотокатодом, веществом колбы и динодами фотоэлектронного усилителя (ФЭУ). Рентгеновские или γ -кванты, взаимодействуя с материалами ФЭУ, могут создать дополнительный (сверх тока сцинтиллятора) ток ФЭУ.

«Эффект фотокатода» в диапазоне энергий 20-1500 kev изучался в работах

М.И. Арсаева, Н. Е. Сулимовой, Grawes и Koch, Zagorites и Lee. В этих работах было показано, что «ход с жесткостью» имеет приблизительно одинаковый характер для различных типов фотокатодов, причем в диапазоне энергий 20-80 kev наблюдается резкое повышение чувствительности. Зная чувствительность фотоумножителя к рентгеновскому и γ -излучению, можно оценить вклад эффекта фотокатода в величину общего тока системы сцинтиллятор - фотоумножитель. В принципе с помощью эффекта фотокатода можно скомпенсировать «ход с жесткостью» сцинтиллятора и т. д. Однако в большинстве случаев необходимо обеспечить предельно низкий уровень радиации в области расположения ФЭУ.

Вцелях уменьшения эффекта фотокатода предлагалось использовать фотоумножители с небольшими размерами фотокатодов (Amrik S. Chhabra). Эта рекомендация часто оказывалась невыполнимой по тем или иным причинам. Избежать эффекта фотокатода можно также путем выведения фотоумножителя из поля облучения с помощью соответствующего светопровода. В этом случае увеличиваются размеры детектора, что также не всегда приемлемо. В работе Hegewald рассмотрены принципиальные схемы описанных в литературе вариантов конструкций сцинтилляционных датчиков, уменьшающих «эффект фотокатода». Однако предложенные способы усложняют конструкцию датчиков.

Вцелях уменьшения «эффекта фотокатода» мы применили свинцовое стекло, поместив его между сцинтиллятором и фотокатодом. Относительно тонкие слои этого стекла предохраняют фотокатод от попадания на него «мягкого» рентгеновского и γ -излучений и в то же время практически не поглощают свет от сцинтиллятора.

Радиолюминесценция стекол под действием рентгеновского и γ - излучений сильно зависит от процентного содержания в них свинца. Свечение это можно свести к минимуму, если выбрать соответствующую марку стекла. Кроме того, можно применить светофильтр. Радиационная стойкость стекол достаточно высока.

Для определения оптимальной толщины свинцовых стекол мы оценили ослабление рентгеновского излучения в стеклах ТФ-1 (плотность 3,86 г/смЗ) и ТФ-5 (плотность 4,77 г/смЗ). Измерения проводили на рентгеновских аппаратах РУМ-3 (максимальное напряжение на трубке 200 kV и «Дермамобиль» (50 kV). В качестве детектора использовали дозиметр со сцинтилли-

81

рующей пластмассой NE-102 в виде цилиндра диаметром 10 мм и высотой 12 мм, окруженной с боков плексигласом (JI. В. Тимофеев и В. В. Бочкарев). Сцинтиллятор был сочленен с ФЭУ-35, работающим в токовом режиме. При работе на рентгеновском аппарате РУМ-3 пучок излучения ограничивали свинцовой прямоугольной диафрагмой размером 2х3 см. Расстояние между фокусным пятном и детектором устанавливали равным 25 см. При фильтре 0,5 мм Сu+1 мм А1 и напряжениях 160-200 kV эффективная энергия излучения равнялась 70-80 kev, а при фильтре 1 мм А1 и напряжениях 100-140 kV составляла 29-33 kev.

При измерениях на аппарате «Дермамобиль» детектор находился на расстоянии 1 см от цилиндрического тубуса диаметром 2 см. В качестве фильтра использовали алюминий толщиной 1 мм. Для данного фильтра и напряжения на трубке 50 kV эффективная энергия рентгеновского излучения составляла приблизительно 18-20 kev. Эффективную энергию определяли с помощью сферической тонкостенной териленовой камеры от конденсатора дозиметра типа КД-1М.

Результаты измерений представлены на рис. 1.) Из приведенных графиков видно, что для ослабления на 2-3 порядка электромагнитного излучения с энергией приблизительно 80 kev необходимо всего 10-20 мм свинцового стекла, а для 20 kev - 1,5 мм. Для одной и той же кратности ослабления толщина стекла ТФ-5 оказывается в 1,5- 2 раза меньше, чем ТФ-1. С целью определения толщины стекол для электромагнитного излучения с энергией, большей 100 kev, можно пользоваться расчетными данными (JI. М. Михайлов и 3. С. Арефьева ). Например, для ослабления на 2 порядка γ -излучения с энергией 200 kev необходимо всего 39 мм стекла ТФ- 5.

Характер зависимости пропускания света от длины волны изучали на спектрофотометре SP-700 в диапазоне длин волн 3300-6600 А, т.е. в интервале максимальной чувствительности многих широко используемых фотоумножителей. Результаты измерений для стекол толщиной 10 мм представлены (на рис. 2) По оси абсцисс отложены значения обратных длин волн, по оси ординат - пропускание в процентах. Из графиков видно, что стекла ТФ-1 и ТФ-5 практически одинаково ослабляют световой поток. На рис. 3 приведен спектр свечения сцинтиллятора NE-102 толщиной 1 мм, возбужденного ультрафиолетовым излучением и спектр свечения после прохождения стекла ТФ-5 толщиной 10 мм. Сигнал ослабляется приблизительно на 30%. Измерения проводили на спектрометре ИСП-51 с фотоэлектрической приставкой ФЭП-1. Световой поток от лампы ДКсШ-200 фильтровался УФС-1, в результате чего «вырезался» интервал длин волн, 2400-4000 А.

Исследовалось свечение стекол ТФ-1 и ТФ-5 как под действием света в интервале длин волн 2400-4000 А, так и под действием рентгеновского излучения в диапазоне энергий приблизительно 10-80 kev. Полученные в одинаковых условиях спектры свечения стекло ТФ-1 и ТФ-5 толщиной 10 мм каждая представлены на рис. 4 (кривые 1 и 2 соответственно). Отношение интенсивностей

82

Сигнальный экземпляр

свечения стекол ТФ-1 и ТФ-5 при возбуждении свечения световым потоком оказалось приблизительно равно 7,5. При возбуждении рентгеновским излучением (Еэфф—20 kev) это отношение равнялось 10.

В связи с тем что: 1) по характеру пропускания света стекла ТФ-1 и ТФ-5 в широком интервале длин волн практически идентичны, 2) защитные свойства стекла ТФ-5 значительно лучше, чем у ТФ-1, и 3) свечение на выходе стекла ТФ-1 по интенсивности приблизительно на порядок больше, чем свечение ТФ- 5, в дальнейшем изучались лишь характеристики стекол марки ТФ-5.

Вклад люминесценции свинцового стекла можно уменьшить, применив для этих целей светофильтры, например ФС-7, Как видно из рис. 4, максимум свечения стекла ТФ-5 толщиной 10 мм соответствует приблизительно длине волны в 5000 А. Максимум свечения, например, сцинтилляционной пластмассы находится в области 4200 А, т.е. на 800 А левее в шкале длин воли. На рис. 2 приведены кривые пропускания света для светофильтра ФС-7 толщиной 2 мм (кривая 3) и 0,3 мм (кривая 2). Таким образом светофильтр ФС-7 должен сильно ослаблять свечение свинцовых стекол и значительно меньше - свечение сцинтиллятора. Спектр 3 на рис. 3 получен после прохождения света через 10 мм стекла ТФ-5 и 0,3 мм светофильтра ФС-7. Светофильтр уменьшил интенсивность сигнала в 1,8 раза. Спектр 3 на рис. 4 - свечение стекла после светофильтра; интенсивность снизилась в 5 раз. Таким образом, применение светофильтра ФС-7 толщиной 0,3 мм уменьшает относительный вклад в полезный сигнал свечения стекла в 2,8 раза, для светофильтра толщиной 2 мм - в 4 раза. Естественно, светофильтры можно применять лишь в том случае, если полезный сигнал достаточно велик и не возникает трудностей его регистрации.

Под действием ионизирующего излучения свинцовые стекла темнеют. Например, для стекла ТФ-5 толщиной 12,5 мм при облучении его в дозе 2000 rad (Со60) интегральное пропускание ухудшается на 10%, при толщине 2 мм - на 3%. Со временем прозрачность стекол восстанавливается, причем скорость восстановления на свету в 3-5 раз выше, чем в темноте. При /больших дозах, например 5X105 rad, пропускание для длины волны 4100 А падает до 0,6% и за 30 дней восстанавливается до 80% (рис. 5).)

Из сказанного следует, что предпочтительнее использовать стекло марки ТФ-5.

83

Рис. 1. Ослабление рентгеновского излучения в стеклах ТФ-1 и ТФ-5.

Рис. 2. Спектры пропускания.

1 – стекла ТФ-1; 2 – светофильтра ФС-7 толщиной 0,3 мм; 3 – светофильтра ФС-7 толщиной 2 мм; кресты – экспериментальные данные для стекла

ТФ-5.

84

Сигнальный экземпляр

Рис. 4. Спектры свечения стекол ТФ-1 и ТФ-5. Объяснение в тексте.

Рис. 5. Восстановление пропускания света стеклом ТФ-5 после облучения (хранение на свету).

а – сразу после облучения; б – через 2 дня; в – через 3 дня; г – через 4 дня; д – через 5 дней; е – через 7 дней; ж – через 9 дней; з – через 11 дней; и – через

30 дней после облучения

Рассмотрим в качестве примера сцинтилляционный детектор диаметром 3 мм я толщиной 1 мм, сочлененный со светопроводом из плексигласа длиной 12 мм (достаточной, чтобы поглотить β-излучение практически всех широко используемых радиоактивных изотопов) и фотоэлектронным умножителем ФЭУ-35, диаметр фотокатода которого составляет приблизительно 30 мм. При измерении этим дозиметром дозного поля рентгеновского излучения с эффективной энергией 20 kev отношение сигнала от сцинтиллятора к току, обусловленному взаимодействием излучения с материалами ФЭУ, равно при-

85

близительно единице. Если между светопроводом и фотокатодом поместить свинцовое стекло ТФ-5 толщиной 10 мм (для 20 kev достаточно и 1 мм) «эффект фотокатода» становится практически равным нулю, свечение свинцового стекла составляет 0,1 %, а светопровода - 0,3% полезного сигнала.

Таким образом, применение свинцового стекла между сцинтиллятором и фотокатодом обладает рядом преимуществ: 1) позволяет уменьшить эффект фотокатода на 2 - 3 порядка при ослаблении полезного сигнала на 10—30%; 2) дает возможность конструировать малогабаритные датчики, ибо толщина свинцового стекла составляет всего несколько миллиметров; 3) устраняет возникновение различных вторичных эффектов в ФЭУ под действием излучения (ускорение старения и т.д.).

5.4.2.Комбинированный способ снижения шумового сигнала ФЭУ

С целью повышения избирательности измерительного устройства предложен комбинированный способ снижения (подавления) шумового сигнала фото умножителя от радиации

Для уменьшения воздействия радиации на конструкционные элементы ФЭУ между детектором и окном фото умножителя помещается фильтр из СС. Т.к. для большинства ФЭУ максимум «чувствительности» их материалов (стекло, первые диноды)соответствует энергии 100 КэВ, а СС различных марок эффективно поглощают фотонное излучение именно в этом диапазоне Е, то потребовались относительно тонкие слои СС. Тонкие же слои СС оказались практически прозрачными к излучению в оптическом интервале длин волн, т.е. к излучению пластических сцинтилляторов (λмакс=4500 А) Предложенный способ апробирован для двух марок СС: ТФ-1 и ТФ-5. Исследован характер ослабления гамма- и рентгеновского излучений для ΔЕХ,γє(20 кэВ,90 кэВ ) пропускания света; вклад радио- и фотолюминесценции; изменения некоторых параметров (например, потемнение) стёкол в результате облучения /…/.Основные исследования сводятся к следующему: для ослабления на (2-3) порядка фонового тока ФЭУ при Ех=(20-80)КэВ требуется фильтр из СС толщиной (1,5-15) мм; диапазон пропускания длин волн света для этих фильтров соответствует интервалу максимальной чувствительности большинства типов ФЭУ; интенсивность люминесценции можно уменьшить поместив между фотокатодом и Pb-стеклом светофильтр ФС-7.При дозе 20 Гр гамма-излучения, кобальта -60 стекла быстро восстанавливают свою прозрачность, особенно при дневном свете. Стекло ТФ-5 толщиной 2 мм ухудшает интегральное пропускание света всего на 3%.

Таким образом, применение защитного свинцового стекла позволяет уменьшить на (2...3) порядка эффект воздействия радиации на ФЭУ; при этом полезный сигнал от сцинтиллятора ослабляется всего на (10...30)%.

Как известно, в оптически прозрачных средах при прохождении через них бета-излучения возникает т.н. излучение Вавилова-Черенкова, если при этом выполняется условие

Если в расчетах использовать значения n=1.59 для полистирола и 1.49.

86

Сигнальный экземпляр

для метилметакрилата (при комнатной Т; Д-линия натрия), то пороговая для возникновения этого излучения Ее равна ~200КэВ.

Вклад излучения В.-Ч. в регистрируемый сигнал сцинтилляционного дозиметра качественно иллюстрируют результаты эксперимента, геометрия проведения которого изображена на рис.4.15. Для разделения эффектов, связанных с тормозным излучением В-Ч, достаточно сцинтилляционную пластмассу заменить на плексиглас, а фотокатод заэкранировать черной бумагой. В этом случае значение тока через ФЭУ значительно меньше.

3.4.Фантомное моделирование

3.4.1.Гетерогенный конфигурационный фантом головы человека

87

Сигнальный экземпляр

89